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ELGEVOS - Power Supply of Greenhouses in an Electricity System with High Share of Renewable Energy Sources

Goal: Currently, about 30% of Germany’s annual electricity is generated from renewable sources like wind and the sun. Until 2030, the German government wants to increase this proportion to 50%. Other EU nations have similar plans. Predictive models indicate that this aim will lead to an increase in volatility of the energy supply and will affect electricity pricing. Thus, a temporary oversupply of renewable energy (e.g. at strong wind conditions) can lead to a low price of electricity at the energy exchange market. Otherwise, the frequency of annual hours with high pricing will be increased in case of insufficient solar radiation or wind speed. Therefore, flexible capacities are required for energy storage as well as consumption. Related to the power supply of commercial greenhouses, two approaches were considered at Humboldt University:

- Irrigation water resources could be used as large energy storages for greenhouse air-conditioning in order to obtain the benefits from fluctuations of electricity pricing
- The energy for greenhouse air-conditioning will be increasingly used when electricity is cheap

The feasibility study named ELGEVOS started in 2015 and is supported by funds of the German Government’s Special Purpose Fund held at Rentenbank.

Website: www.elgevos.de

Methods: Energy Modeling

Date: 30 April 2015 - 31 July 2018

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Tundra Ramírez
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Interruptive electricity supply Due to new electricity generation and supply schemes, optimising cost and return in greenhouse production could be achieved with interruptive schemes for supplementary lighting (SL). We analysed the effect of interrupted SL (ISL) on both the cost of electricity and crop yield of tomato cultivation during a winter in Brandenburg, Germany (LAT 52 N). We applied SL for 60 days to a tomato crop (cv. Komeett) with two nighttime regimes of nine hours using high pressure sodium lamps (HPSL; 400 W and 210 mmol m e2 s e1) resulting in equivalent daily light integral (DLI, mol m e2 day e1). CO 2 assimilation of the crop stand was measured either continuously in four airtight gas exchange greenhouse compartments (28.8 m 2 each) or from a sampling of total dry mass. Measurements were used to evaluate the predictions of an existing deterministic photosynthesis model. Results indicate: 1) continuously measured crop net photosynthesis (Pn) overestimated the total CO 2 assimilation when measured as crop dry matter at only 1.7%, and 2) an ISL regime had only a low influence on total dry mass formation, presenting 7.6% higher total dry matter in comparison to the model results. It is concluded that 1) continuous measurements of Pn in a daylit environment can be used as a dry mass increase indicator, 2) ISL can be applied without losses in tomato yield, and 3) the existing tomato crop photosynthesis model was not suitable for ISL control. Thus, price optimised ISL can be applied with no negative effect only by looking at electricity prices.
Tundra Ramírez
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In Germany, the growing introduction of electricity generated from renewable energy creates variability on electricity tariffs. The present research is based on the idea of taking advantage of low electricity prices for supplemental illumination in greenhouse production. Due to the variation of electricity prices, also the application of the lighting by growers should be flexible. In order to analyze the effect of different application times of supplemental light crop growth models can be used where the photosynthesis sub models describe the central function of the light use efficiency.
Ingo Schuch
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In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurde der Gewächshausbetrieb durch eine computersimulierte Lastverschiebung entsprechend den Preisschwankungen am Strommarkt optimiert, um geringere Stromkosten zu erreichen. Dabei wird die im konventionellen Betrieb auf Zeiten mit hohen Strompreis fallende Last reduziert bzw. auf einen späteren Zeitpunkt mit niedrigeren Preis verschoben. Hierzu muss das Energieregime des Gewächshauses so gesteuert werden, dass eine Unterbrechung oder Reduzierung der Stromzufuhr über einen thermischen Speicher abgefangen und ein Stromüberschuss über eine Elektrowärmepumpe oder Widerstandsheizung in eine längerfristige Speicherkapazität umgewandelt wird. Die Stromverbraucher sind zügig regelbar, während die Lufttemperatur im Gewächshaus auf Veränderungen der Energiezufuhr träge reagiert. Dennoch muss die Lastverschiebung zeitlich begrenzt erfolgen, damit die Luftmasse im Gewächshaus oder ein Pufferspeicher die volatile Betriebsstrategie abfangen kann, ohne das Pflanzenwachstum negativ zu beeinflussen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch ein strompreisoptimiertes Lastmanagement größere Kosteneinsparungen erzielt werden könnten. Aufgrund von sich ändernden politischen und regulatorischen Rahmenbedingungen hängt eine Bewertung jedoch von Einzelfallbetrachtungen ab. Derartige Untersuchungen können mit den im Projekt ELGEVOS entwickelten Simulationswerkzeugen durchgeführt werden. Als Einstieg in die komplexe Thematik zeigt eine interaktive Webanwendung (www.elgevos.de/animation) mögliche Anwendungsszenarien und vergleicht den strompreisoptimierten Betrieb unterschiedlicher Gewächshauskonfigurationen mit/ohne Stromlastmanagement.
Ingo Schuch
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A press release about the completion of our joint research project ELGEVOS has been published.
Link to the press release of the Fraunhofer-Gesellschaft:
 
Ingo Schuch
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If you would like to know more about the study ELGEVOS we invite you to visit our new website www.elgevos.de where different simulation scenarios regarding energy demand side management of greenhouses can be compared.
 
Ingo Schuch
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Die anstehenden Veränderungen im Energiesektor im Zuge der Abkehr von fossiler Energie hin zu den erneuerbaren Energien sind groß. Um auch zukünftig die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, bilden Energiespeicher und energieeffiziente Maßnahmen zentrale Elemente dieser Veränderungen. Dies gilt sektorenübergreifend und für alle Wirtschaftszweige, so auch für den energieintensiven Gewächshausanbau, der nicht nur als Energieverbraucher, sondern ebenso als Solarenergiesammler anzusehen ist. Doch lässt sich diese überschüssige Energie auch längerfristig speichern und bei Bedarf intern wieder abrufen? Oder gibt es Möglichkeiten, den Gewächshausanbau in einer Win-win-Situation mit dem Energiesektor zu koppeln?
Ingo Schuch
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Due to the fact that greenhouses need big amounts of energy (esp. for heating purposes in temperate zones), there is a growing interest on new technical systems to save energy and fossil resources. In this context, the inclusion of active solar thermal systems in greenhouses for energy harvesting and plant production represents an interesting solution. However, the standard tools for energetic evaluation of greenhouses are not able to evaluate completely and satisfactorily all the components of a closed or semi-closed installation consisting of a greenhouse, a solar collector, a heat pump and thermal energy storage device. Therefore it seems useful to extend the spectrum of planning and analyzing tools. For this purpose, a user-friendly computer simulation tool was developed using MS-Excel®. The underlying model (partially empirically determined) makes use of iterative algorithms for annual energy simulation of the mentioned greenhouses and allows to define input variables for weather, dimensions, technical equipment, efficiency factors and temperature set-points. Energy modeling allows to conduct a scenario analysis to compare different assumptions about the technical system. As example, a solar thermal collector greenhouse (collector area 33%, 66% and 100%) with heat pump system for cooling as well as heating, and seasonal thermal energy storage with different storage media (water and phase-change material) was simulated. The simulation results refers to the temperature of the thermal energy storage device, the reduction of fossil fuels for heating the greenhouse and the efficiency ratios of the heat pump for cooling (SEER) as well as heating (HSPF).
Ingo Schuch
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August 20-24, 2017: ELGEVOS presents results at GreenSys 2017 Beijing (China)
 
U. Schmidt
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Seit vielen Jahren wird das Konzept semigeschlossenes Gewächshaus für den Gemüsebau weiterentwickelt. Ziel ist es, den Heizenergiebedarf zu senken, die durch Verwendung fossiler Brennstoffe entstehenden CO2-Emissionen drastisch zu vermindern und höhere Erträge durch länger zu realisierende CO2-Anreicherung am Tage zu erzielen. Für die Wirtschaftlichkeit dieser Innovation müssen sich die notwendigen Zusatzinvestitionen für die Solarenergiegewinnung und -anwendung in kurzer Zeit amortisieren.
Um Gewächshäuser als Sonnenkollektoren zu nutzen, müssen Kühleinrichtungen im Inneren eingesetzt werden, um die überschüssige Wärme bei hohen solaren Einstrahlungsraten entziehen zu können. Aus physikalischer Sichtweise ist der Dachraum der geeignete Ort dafür, da warme und feuchte Luft infolge des Dichteunterschiedes aufsteigen. Deshalb wurden im ZINEG Projekt in Berlin Rippenrohrwärmetauscher im Dachraum des Gewächshauses installiert. Für die praktische Umsetzung des Konzeptes Solarkollektorgewächshaus bedeutet dies jedoch erhöhte Investitionen und die Installation der Rippenrohre im Dachraum mindert die Lichtdurchlässigkeit der Gewächsaushülle. Deshalb wurde geprüft, ob eine Kühlung durch die vorhandene, unter den Kulturrinnen angebrachte Gebläseheizung mit gelochtem Folienschlauch möglich ist.
Ingo Schuch
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Gegenwärtig liegt der Anteil der erneuerbaren Energieträger (z.B. Wind- und Sonnenenergie) bei der jährlichen Stromerzeugung in Deutschland bei etwa 35%. Bis zum Jahr 2030 will die Bundesregierung diesen Anteil auf 50% erhöhen. Andere EU-Staaten haben ähnlich Pläne. Prognosen zeigen, dass dies die Volatilität (Schwankung) der Stromerzeugung und -preise verstärkt. Bereits im Jahr 2015 führte in Deutschland ein vorübergehendes Überangebot von erneuerbaren Energien (z.B. bei Starkwind) an 126 h/a zu negativen Börsenstrompreisen, was eine Verdopplung zum Vorjahr darstellt. Hohe Preise können hingegen bei einer kurzfristig sinkenden Verstromung von erneuerbaren Energien auftreten. Ein Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -nachfrage ist eine Voraussetzung für eine stabile Netzfrequenz (50 Hz). Daher werden flexible Verbrauchs- und Speichereinheiten benötigt. Der Betrieb von Gewächshäusern bietet verschiedene Möglichkeiten deren Energiebedarf zu flexibilisieren und so der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie anzupassen. Zudem besteht die Möglichkeit den Übertragungsnetzbetreibern eine sogenannte Regelleistung (RL) anzubieten. Diese wird in positive und negative RL unterschieden. Bei negativer RL werden elektrische Verbraucher eingeschaltet oder deren Leistung wird erhöht. Bei positiver RL wird dagegen der Stromverbrauch reduziert. Hierzu erscheint bei Gewächshäusern neben der lichttechnischen Beeinflussung der Photosynthese (Teilprojekt am IGZ) auch die Erzeugung von thermischer Energie aus Strom (z.B. über Elektroheizungen oder Wärmepumpen) mit anschließender Wärmespeicherung in Wasserreservoirs geeignet zu sein. Zur Prüfung dieses Ansatzes wurde ein komplexes Computermodell zur energetischen Gewächshaussimulation entwickelt und ein volatiles Szenario (mit RL) mit einem Basisszenario (ohne RL) verglichen. Die ersten Simulationsergebnisse beziehen sich zunächst auf ein Kollektorgewächshaus mit Solarwärmespeicher und elektrischer Speichererwärmung, auf die Wärmepumpeneffizienz zum Kühlen/Heizen und Einsparung von fossilen Brennstoffen.
Ingo Schuch
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Mar 1-4, 2017: ELGEVOS presents results at DGG & BHGL Congress
 
Ingo Schuch
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Currently, about 33% of Germany’s annual electricity is generated from renewable sources like wind and sun. Until 2030, the German government wants to increase this proportion to 50%. Other EU countries have similar plans. Predictive models indicate that this aim will lead to an increase in volatility of the energy supply and will also affect electricity pricing. Already in 2015, a temporary oversupply of renewable energies in Germany (e.g. at strong wind conditions) resulted in a negative spot price of electricity at 126 annual hours. Otherwise, the number of annual hours with high pricing (e.g. at insufficient solar radiation or windspeed) reached 63 hours. A permanent balance between electricity generation and demand is an important precondition for a stable utility frequency. Therefore, flexible capacities as control reserve (also known as balancing power) are required for energy storage, as well as consumption at any given time.
Im ELGEVOS-Verbund (bestehend aus IGZ, HU und Fraunhofer IWES) sollen Konzepte für Gewächshäuser entwickelt werden, die sich auf eine zunehmende Nutzung von erneuerbaren Energien einstellen (Ziel der Bundesregierung: 50 % bis 2030) und der damit einhergehenden Volatilität des Stromangebots bzw. der Strompreise begegnen. Die Lösungsansätze sollen den Energiebedarf von Gewächshausanlagen (v. a. zur Belichtung, Heizung und Kühlung) einbeziehen und dabei den hohen Anforderungen der Pflanzenproduktion gerecht werden.
Ingo Schuch
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Ingo Schuch
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Oct 25-26, 2016: ELGEVOS presents results at BLE Innovation Days in Bonn
 
Ingo Schuch
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Currently, about 30% of Germany’s annual electricity is generated from renewable sources like wind and the sun. Until 2030, the German government wants to increase this proportion to 50%. Other EU nations have similar plans. Predictive models indicate that this aim will lead to an increase in volatility of the energy supply and will affect electricity pricing. Thus, a temporary oversupply of renewable energy (e.g. at strong wind conditions) can lead to a low price of electricity at the energy exchange market. Otherwise, the frequency of annual hours with high pricing will be increased in case of insufficient solar radiation or wind speed. Therefore, flexible capacities are required for energy storage as well as consumption. Related to the power supply of commercial greenhouses, two approaches were considered at Humboldt University:
- Irrigation water resources could be used as large energy storages for greenhouse air-conditioning in order to obtain the benefits from fluctuations of electricity pricing
- The energy for greenhouse air-conditioning will be increasingly used when electricity is cheap
The feasibility study named ELGEVOS started in 2015 and is supported by funds of the German Government’s Special Purpose Fund held at Rentenbank.